为什么说地球密度是太阳系中已知天体密度最大的？

　　图注：该图是我们的太阳和太阳的八个行星，其大小按比例缩放。请注意，这是满足国际天文学联合会提出的所有三个行星标准的仅有的八个天体，它们绕太阳公转的距离仅在同一平面的几度之内。在太阳系中的所有行星、矮行星、卫星和小行星等中，只有一个天体密度最大的。您可能会基于这样的事实：引力阅读的天体，其密度越大，因此认为木星或太阳是太阳系中密度最大的天体，但它们密度只是地球密度的的四分之一。

　　您可能还认为，由最重元素组成的天体其密度最大。但是，如果真是这样，水星将是密度最大的天体，事实并非如此。相反，在太阳系中所有已知的大物体中，地球的密度最大。这一定令您感到惊讶，这是为什么呢？

　　图注：按大小比较太阳系中行星的数量。地球的半径仅比金星大5％，但天王星和海王星的半径是我们星球半径的四倍。密度是最简单的物质非基本性质之一。从微观到宏观宇宙，每个存在的物体都具有一定的固有能量：我们通常所说的质量。这些对象在三个维度上也占据了一定的空间：我们称为体积。密度就是这两个属性的比率：物体的质量除以其体积。

　　我们的太阳系本身形成于大约45亿年前，就像所有恒星系的形成那样：来自恒星形成区域中的气体云，该气体云在其自身引力作用下收缩并坍塌。最近，借助ALMA（阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列）等天文台，我们首次能够对这些新生恒星周围形成的原行星盘进行直接成像和分析。

　　图注：由ALMA拍摄的围绕年轻恒星HL Tauri的原行星盘。圆盘上的间隙表明存在新的行星，而光谱测量表明存在大量且多样性的有机含碳化合物。像这样的图像的一些特征是惊人的。你可以看到一个巨大的，延伸的圆盘围绕着一个新形成的恒星：产生行星，卫星，小行星，一个外（柯伊伯式）带等的物质。你可以看到圆盘上的间隙：像行星这样的大质量物体已经形成的位置。你可以看到一个颜色编码的温度梯度，其中内部区域更热，外部区域更冷。

　　但是，您无法从这样的图像中直观地看到不同类型的物质的存在和丰度。虽然复杂的分子甚至有机化合物在这样的系统中随处可见，但有三个重要的因素共同作用，决定了哪些元素最终会在太阳系的哪个位置产生。

　　图注：原行星盘的插图，其中行星和小行星首先形成，当行星和小行星形成时，在它们之间产生“间隙”。一旦中央原恒星变得足够热，它就开始吹散周围原行星系统中最轻的元素。像木星或土星这样的行星具有足够的引力，可以固持氢和氦等最轻的元素，而像地球这样的质量较低的世界则没有。第一个因素是万有引力。在由细小颗粒组成的物质圆盘中，那些更靠近盘内部的粒子将以略高于那些稍远的粒子的速度围绕太阳系中心旋转，当它们在这个轨道舞蹈中彼此通过时，引起粒子之间的碰撞。

　　在已经形成稍大的颗粒的地方，或者在较小的颗粒粘在一起形成较大的颗粒的地方，由于具有超密区域优先吸引越来越多的周围物质，因此引力变得稍大。在数千到数百万到数千万年的时间长河里，这将导致行星的失控形成，而无论哪一个位置发生的质量最大，最快的位置都是一个行星。

　　图注：原行星盘的示意图，显示了烟灰线和冻结线。对于像太阳这样的恒星，估计冻结线的位置大约是地球-太阳初始距离的三倍，而烟灰线的位置要远得多。这些线在我们太阳系过去的确切位置很难确定。第二个因素是中央恒星的温度，因为它从诞生前的分子云演化到作为原恒星的阶段，再到作为成熟恒星的长寿命阶段。在离恒星最近的内部区域，只有最重的元素才能存活下来，因为其他的元素都太轻了，被强烈的热量和辐射炸开了。最内部的行星将由金属单独构成。

　　除此之外，还有一条冻结线，我们的地球行星都在冻结线内形成。这些线条很有趣，它告诉我们，太阳系中会形成一种物质梯度：最重的元素以最接近中心恒星的比例最大，而较重的元素丰度则随离中心距离而减小。

　　图注：一般来说，随着太阳系的演化，挥发性物质被蒸发，行星吸积物质，行星合并在一起或引力相互作用和喷射物体，轨道迁移到稳定的形态。气态巨行星可能在引力上支配着我们太阳系的动力学，但据我们所知，所有有趣的生物化学现象都发生在内部岩石行星上。在其他太阳系中，情况可能大不相同，这取决于不同的行星和卫星最终迁移到哪里。第三也是最后一个因素是，随着时间的流逝会发生复杂的引力舞。行星迁移，星星变热，冰被剥落掉。 可能在早期阶段环绕我们恒星运行的行星可能会被弹出、射入太阳，或触发与其他世界碰撞和合并。

　　如果你离太阳系的恒星太近，恒星大气层的外层可以提供足够的摩擦力，导致你的轨道不稳定，螺旋进入中心恒星本身。纵观我们今天的太阳系，在整个太阳系形成45亿年后，我们可以总结出很多关于早期的情况。

　　图注：一个关于合成的例子：一个膨胀的环，在高能、大角动量碰撞后环绕着一个行星。现在人们认为，我们的月球是由早期与地球的碰撞形成的，这种碰撞产生了这样一种现象。但我们只剩下幸存者了。我们所看到的大体模式与我们的八大行星形成的大致顺序非常一致：水星是最里面的世界，其次是金星、地球、火星、小行星带，然后是四个分别拥有自己的月球系统的气态巨行星，柯伊伯带，最后是奥尔特云。

　　如果一切都是基于构成它们的元素，那么水星将是密度最大的行星。与太阳系其他已知的元素相比，水星在元素周期表上所占的比例更高。即使是已经蒸发了其挥发性冰层的小行星，也没有水星仅基于元素的密度那么大。金星排名第二，地球排名第三，其次是火星，一些小行星，然后是木星最里面的卫星：木卫一。

　　图注：太阳系中各种天体的密度。注意密度与距太阳的距离之间的关系，特里顿（海卫一）与冥王星的相似度，甚至木星的卫星，从木卫一到卡利斯托，在密度上如何如此巨大的变化。但决定其密度的不仅仅是一个世界的原材料组成。还有引力压缩的问题，它对质量越大的世界影响越大。这是我们通过研究太阳系以外的行星学到的很多东西，因为它们教会了我们外行星的不同种类。这使我们能够推断出导致我们观察到的世界的物理过程在起作用。

　　如果天体质量小于两个地球质量，会成为一个岩石状的，类地行星，质量更高的行星将受到更大的引力压缩。在此之上，天体开始垂悬在气体的物质包裹体上，随着物质质量的增加，该物质会从该天体“喷出”使其密度极大地下降，这解释了土星为什么是密度最低的行星。在另一个阈值之上，引力压缩再次领先。土星是木星物理尺寸的85％，但只有木星质量的三分之一。超过另一个临界值，核聚变点燃，将一颗即将成为行星的行星变成一颗恒星。

　　图注：最好的基于证据的行星分类方案是将它们分为岩石类、海王星类、木星类或恒星类。请注意，当你继续外推时，行星在达到约2个地球质量之前所遵循的“线”始终保持在图表上所有其他星球的下方。如果我们有一个像木星这样的天体，它离太阳足够近，那么它的大气层将被剥夺，露出一个比今天太阳系任何行星都密度更高的核心。 最密集，最重的元素总是在行星形成过程中沉入核心，而引力会使核心密度比其它部分更致密。但是我们的后院没有任何这样的天体。

　　相反，地球只有一个相对较重的岩石陆地行星，没有巨大的气体包裹层。由于自身引力的作用，地球被压缩了百分之几，比没有这么多质量的密度还要大。这一差别足以足以克服一个事实，即它由比水星更轻的元素组成（在2-5%之间）使其比水星总密度高2% 左右。

　　图注：据我们所知，并利用最好的测量方法，我们已经确定地球是太阳系中所有行星中最致密的行星：比水星高约2％，比金星高约5％。如果构成天体的元素是唯一对密度有意义的度量，那么毫无疑问，水星将是太阳系中密度最大的行星。如果没有低密度的海洋或大气，没有周期表上较重的元素（平均而言）组成的，水星会名列第一。然而，地球距离太阳近三倍，由较轻的材料制成，并有一个坚实的大气层，以比水星密度高2%遥遥领先。

　　地球具有足够的质量，以至于由于引力引起的自压缩非常重要，它相对致密的成分和巨大的自身重力，加上我们的质量是水星的18倍，使我们成为太阳系中密度最大的天体。